JPH03209888A - 狭帯域化レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体集積回路の超微細加工等の露光用光源
として用いられる狭帯域化レーザ装置に関するものであ
る。

従来の技術 従来よシ、半導体集積回路の微細パターンの露光用光源
としてエキシマレーザが注目されている。

エキシマレーザはレーザ媒質としてクリプトン、キセノ
ン等の希ガスとふっ素、塩素等のハロゲンガスを組み合
わせることによ、ｉｌ）　３５３　ｎｍから１９３ｎｍ
の間のいくつかの波長でパターン露光に十分な出力を有
する発振線を得ることができる。

これらエキシマレーザの利得バンド幅は、約１３　ヘ−
７ ｎｍと広く、光共振器と組み合わせて発振させた場合、
発振線が０．５ｎｍ程度の帯域幅（半値全幅）を持つ。

このように比較的広い帯域幅を持つレーザ光を露光用光
源として用いた場合、露光光学系に色収差を補正した結
像光学系を採用する必要がある。ところが、波長が３５
０ｎｍ以下の紫外域では、結像光学系に用いるレンズの
光学材料の選択の幅が限られ、色収差の補正が困難とな
る。エキシマレーザを露光装置に用いる場合、レーザ発
振線の帯域幅を０．００５ｎｍ程度にまで単色化できれ
ば色収差補正をしない結像光学系を利用することが不可
能となシ、露光装置の光学系の簡略化、更には、露光装
置全体の小型化、価格の低減を実現することができる。

広い帯域幅を持つレーザ光を単色化するには、狭い透過
帯域を持つ波長選択フィルターを通せば良い。しかし、
この方法では、レーザ出力が著しく減衰し、露光用光源
として実用に供することができない。そこで、波長選択
素子を共振器内に設置し、出力を減衰させることなく単
色化する方法が一般に採用されている。この−例として
、例えは、特開昭６３−１６０２８７号公報記載の構成
が知られている。

以下、簡単にその構成を説明すると、第８図にその構成
を示すように、全反射鏡１０２および半透過鏡１０３か
らなる光共振器内に放電′１１１０１が設置されている
。放電管１０１には希ガスとノ・ロゲンガスを含む媒質
ガスが封入されており、放電励起によってレーザ発振す
る。光共振器中には波長選択素子であるファブリペロー
エタロン１０４が設置されている。

このような構成のエキシマレーザ装置は、ファブリペロ
ーエタロン１０４で選択された特定の波長の光１０６．
１０７．１０８．１０９だけが増幅、発振するので、非
常に狭い帯域幅で、かつ高い出力の出力光１０５を得る
ことができる。

発明が解決しようとする課題 しかし、上記従来の狭帯域化レーザ装置では、光共振器
内に定在する高いエネルギーの光が波長選択素子を通過
するため、波長選択素子の変形や５　ベー。

劣化を招き、選択波長の変動や、出力の低下が発生し、
その結果、露光装置の光源として用いた場合、製品に不
良を生じるなどの課題があった。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するもので
、波長選択素子の変形、劣化による波長変動や出力の低
下が　ない狭帯域化レーザ装置を提供することを目的と
する。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するだめの本発明の技術的解決手段は、
少なくともレーザ媒質と、とのレーザ媒質を貫く共振器
光路を作る第１および第２の反射鏡からなる光共振器と
、上記共振器光路中に設けられた波長位相器および偏光
分離プリズムと、上記レーザ媒質から上記偏光分離プリ
ズムを通シ、出力光が出力される出力光路以外の上記共
振器光路中に設けられ、波長を選択するグレーティング
を備えたものである。

または、上記出力光路以外の共振器光路中にファブリペ
ローエタロンが１個以上設けられたものである。

６１・−７ そして、上記反射鏡、波長位相器、グレーティングは、
これらの素子の機能の少なくとも一部を複合化すること
ができ、また、上記偏光分離プリズムとして誘電体多層
膜による偏光分離面を有するプリズムを用いることがで
き、また、上記反射鏡と波長位相器を複合化した素子と
して９０°位相反射面と全反射面を有するフェズリター
ダープリズムを用いることができる。

作　　　　用 本発明によれば、レーザ媒質を貫き波長選択素子である
グレーティング、若しくはグレーティングとファブリペ
ローエタロンを通る光共振器で作られた特定の偏波面の
光が波長位相器で偏波面を変換され、レーザ媒質で増幅
された後、偏光分離プリズムによシ出力光として出力さ
れる。したがって、波長選択素子であるグレーティング
、若しくハクレーティングとファブリペローエタロンを
通過する光エネルギーは、レーザ媒質の増幅率で出力光
を割算した程度に低下し、グレーティング、若シくはグ
レーティングとファプリペローエタロ７、＜。

ンの変形、劣化は著しく低減する。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

まず、本発明の第１の実施例について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における狭帯域化レーザ
装置を示す構成図である。第１図に示すように、希ガス
とハロゲンガスの混合気体をレーザ媒質とする放電管１
と、レーザ媒質を貫く共振器光路を作る第１および第２
の全反射鏡２および３からなる光共振器によシ、紫外域
でレーザ発振する。光共振器の作る共振器光路中には放
電管１と第１の全反射鏡３０間で１／４波長位相器４が
設けられると共に、放電管１と第２の全反射鏡２の間で
偏光分離器の機能とプリズムの機能を合体して一体化し
た偏光分離プリズム５が設けられている。放電管１で放
電励起によシ発振し、レーザ媒質で増幅された光が偏光
分離プリズム５を通シ、出力光１２として出力される出
力光路以外の共振器光路中、すなわち、偏光分離プリズ
ム５と第１の全反射鏡２０間に波長選択素子であるグレ
ーティング６・が設けられ、特定の狭い帯域の波長だけ
が選択されて通過するようになっている。

以上のような構成において、以下、その動作について説
明する。

放電管１で発振した光は偏光の成分によ）偏光分離機軸
を有する偏光分離プリズム５で伝播方向が分かれ、一方
の偏光成分が光７となって偏光分離プリズム５を通る。

この光７はグレーティング６で波長が選択され、第１の
全反射鏡２で反射されて光８となシ、再び偏光分離プリ
ズム５を通過し、レーザ媒質で増幅された光９となって
１／４波長位相器４に入る。１／４波長位相器４を通っ
た光９は第２の全反射鏡３で反射されて光１０となシ、
再び１／４波長位相器４を通過する。このように光が１
／４波長位相器４を２度通過することによシ、１／２波
長位相器を通過した場合と同等になシ、一方向に偏光し
ている光９は両方の偏光成分を含む反射光１０となる。

一般に１／４波長位相器４を光の通過する軸を中心に回
転させる９　べ−７ ことで反射光１０の両方の偏光成分強度比率を任意に設
定することが可能である。次に、放電管１のレーザ媒質
により反射光１０は増幅され、光１１となる。この光１
１は偏光分離機能を有する偏光分離プリズム５によシ一
方の偏光成分が出力光１２となって出力される。また、
他方の偏光成分は通過して光７となり、発振を継続する
。ここで、１／４波長位相器４は回転して偏光成分比率
を変えることによシ、出力光１２と通過光７の割合を任
意に変化させて出力光１２のレーザ発振結合率を変える
ことができる。

このような構成により、グレーティング６に入る発振を
継続する光７に比較して、偏光成分を１／４波長位相器
４で変換された光はレーザ媒質で増幅された後、偏光分
離プリズム５を通シ、出力光１２となるため、レーザ媒
質の増幅率程度が光７に比較して大きく、相対的に波長
選択素子であるグレーティング６の変形、劣化が著しく
低減することとなる。

以上の説明から本実施例の構成によれば、波長１０べ−
７ 選択素子であるグレーティング６の光負荷を大幅に低減
させることが可能であることについては明確であるが、
偏光分離プリズム５の機能について更に詳しく説明する
。

偏光分離プリズム５は３つの機能を一体にまとめだ機能
を有している。すなわち、前述のように偏光の成分によ
シ光の伝播方向を分離する機能を有し、また、プリズム
であるため、光の波長に対する選択機能（波長選択素子
機能）を有し、更に、光ビーム幅を拡大する機能（アナ
モルフィックプリズム機能）を有する。一般にグレーテ
ィング６に入射する光７の光ビーム幅は広いがグレーテ
ィング６の有効利用幅が広が９、グレーティンクロの波
長選択性が高くなる。すなわち、上記のような偏光プリ
ズム５を使用することによシ、３つの機能を一体化する
ことができ、これによシ構成の大幅な簡略化と光軸調整
の簡略化を達成することができると共に、個別素子を組
み合わせないので、光学表面数を減少させ、光学損失も
低減することができる。以上の理由から偏光分離プリズ
ム５を１１　ベージ 使用することによシ、個別の偏光分離器と通常プリズム
を独立に組み合わせた場合に比べ、よシ多くの長所があ
ることは明らかである。

第２図に上記偏光分離プリズム５の具体的な構成例を示
す。プリズム材料はエキシマレーザ光で透明な石英やＣ
ａＦ２などを使用し、光１１０入射面には誘電体多層膜
による偏光分離面５１を形成しである。一般に誘電体の
構成と厚みを設計することにより、Ｐ偏光成分を透過し
、Ｓ偏光成分を反射する多層膜を形成することができる
。したがって、Ｓ偏光とＰ偏光の混合した光１１は上記
多層膜からなる偏光分離面５１をＰ偏光成分のみ透過し
、Ｓ偏光成分は反射して出力光１２となる。

光の出射面は無反射コート面（ＡＲココ−画）５２に形
成され、出射角θｔで光７として出射する。プリズムの
頂角グを、設定することにより、出射角θｔを入射角θ
１に比較して十分に小さくする。例えば、θ１は５０〜
８５°程度で、θｔはＯ〜１０°程度に設定される。こ
れにより、入射光１１のビーム幅よシ出射光７のビーム
幅は拡大される。第１図に示す光８は第２図に示す７．
１１と逆方向に偏光分離プリズム５を通過する。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

第３図（ａｌ、（ｂｌは本発明の第２の実施例における
狭帯域化レーザー装置を示し、第３図（ａｌは構成図、
第３図（ｂｌはフェーズリターダ−プリズムの左側面図
テする。第３図（ａｌ、（ｂｌにおいて、フェーズリタ
ーダープリズム４０は第１図に示す上記第１の実施例に
おける１／４波長位相器４と第２の全反射鏡３の機能を
合わせて一体化した機能を有している。グレーティング
６０は第１図に示す上記第１の実施例におけるグレーテ
ィング６と第１の全反射鏡２の機能を合わせ持った機能
を有している。

他の部分は上記第１の実施例と同様である。

第４図は上記フェーズリターダ−プリズム４゜の構成図
である。フェーズリターダ−プリズム４０は合成石英や
ＣａＦ２などの高透過率材料で作られ、第４図から明ら
かなように光９、光１０が入射、出射する面は無反射コ
ート面（ＡＲコート面）４３に形成され、入射光（光１
９）の表面石１３　ベー。

反射が出射光（光１０）と混合しないように、表面を２
度程度傾けている。このため、通常の４５゜プリズムと
異なり、４５°、４７°、８８°が使用されている。光
９がプリズム内部に入って反射する面が９０°位相反射
面４２に形成されている。この面４２は誘電体多層膜で
誘電体の構成と厚みを設計することによシ、Ｐ偏光波と
Ｓ偏光波の反射に９０°位相差を持たせたもので、１／
４波長と光学的には同等の機能を有する。９０°位相反
射面４２で反射した光は全反射面４１によシ正反射され
、逆コースで出射光（光１０）となる。全反射面４１も
誘電体多層膜で容易に形成することができる。

このように本実施例によれば、上記第１の実施例の１／
４波長位相器４と第２の全反射鏡３を一体化した機能を
有するフェーズリーターダープリズム４０を用いるので
、構成を簡略化すると共に、調整を容易に行なうことが
できる。

第５図は上記フェ＝ズリターグープリズム４０のマウン
ト装置例を示す。第５図に示すように、フ１４　べ−７ ニーズリターダ−プリズム４０は微動台６２上の回転台
６１に支持され、回転台６１と共に光路６５に対して回
転させることができる。この回転角θを変化させること
によシ、出射光の偏光成分の比率を任意に設定可能であ
り、第３図の角度θに対応する。これは、第１図に示す
上記第１の実施例の１／４波長位相器４を回転して偏光
成分比率を変化させたことと同等である。そして、上記
微動台６２、すなわち、フェーズリターダ−プリズム４
０を微動マイクロメータ６３．６４でＬａ整することに
よシ、光路６５の角度Φとグを微調整し、装置の光軸を
合わせることができる。

第３図に示す上記グレーティング６０はエシェレ格子や
エシェロン格子などのように、入射光路と出射光路の一
致したグレーティングで、例えば、第６図に示すように
、反射面６１が入射光７と出射光８に対して正反射面を
構成している。このように構成されたグレーティング６
０を使用することにより、第１図に示す上記第１の実施
例のグレーティング６と第１の全反射鏡２を兼用するこ
と１５　ページ ができる。これによ）、構成の簡略化と調整の容易化を
達成することができる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。

第７図は本発明の第３の実施例における狭帯域化レーザ
装置を示す構成図である。

本実施例においては第３図に示す上記第３の実施例と同
様に、第１図に示す上記第１の実施例における波長選択
素子であるグレーティング６と第１の全反射鏡２の機能
を合わせ持つグレーティング６０に加え、このグレーテ
ィング６０と偏光分離プリズム５の間に波長選択素子で
あるファブリペローエタロン７０をも同時に使用してい
る。他の部分の構成は第３図に示す上記第２の実施例と
同様である。一般にファブリペローエタロン７０はグレ
ーティング６０よシ容易に狭い帯域の波長を選択するこ
とができるので、狭帯域性は良いが、ｎ次の共振波長の
前後にｎ−１次とｎ＋１次があるため、スプリアス光が
発生しやすい。そこで、本実施例によれば、グレーティ
ング６０で比較的粗い波長の選択を行ない、ファブリペ
ローエタロン７０で細かい選択を行なうことができるの
で、狭帯域で、スプリアス光のない光を得ることが可能
となる。したがって、本実施例によれば、ＫｒＦエキシ
マレーザで出力低下することなく、帯域幅２ｐ、ｍ以下
の狭帯域化を図ることができる。

なお、ファブリペローエタロン７０を複数個使用して波
長の選択性を向上させるようにしても良い。

発明の効果 以上述べたように、本発明によれば、レーザ媒質を貫き
波長選択素子であるグレーティング、若シくハゲレーテ
ィングとファブリペローエタロンを通る光共振器で作ら
れた特定の偏波面の光が波長位相器で偏波面を変換され
、レーザ媒質で増幅された後、偏光分離プリズムによシ
出力光として出力される。したがって、波長選択素子で
あるグレーティング、若しくはグレーティングとファブ
リペローエタロンを通過する光エネルギーは、レーザ媒
質の増幅率で出力光を割算した程度に低下し、グレーテ
ィング、若しくはグレーティングと１７　ベージ ファブリペローエタロンの変形、劣化は著しく低減する
ので、選択波長の変動や、出力の低下がなく、露光用光
源に最適な狭帯域化レーザ装置を提供できるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１の実施例における狭
帯域化レーザ装置を示し、第１図は全体の構成図、第２
図は偏光分離プリズムの構成図、第３図←−←蛭寺咎は
本発明の第２の実施例における狭帯域化レーザ装置　− の構成図、 ＃呑＃喘看咽千第４図はフェーズリターダ−プリズムの
構成図、第５図はフェーズリターダ−プリズムのマウン
ト装置の構成図、第６図はグレーティングの構成図、第
７図は本発明の第３の実施例における狂帯域化レーザ装
置を示す全体の構成図、第８図は従来の狭帯域化レーザ
装置を示す構成図である。 １・・・放電管、２，３・・・全反射鏡、４・・・１／
４波長位相器、５・・・偏光分離プリズム、６・・・グ
レーテ１８　ベージ インク、１２・・・出力光、４０・・・フェーズリター
ダ−プリズム、６０・・・グレーティング、７０・・・
ファブリペローエタロン。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともレーザ媒質と、このレーザ媒質を貫く
   共振器光路を作る第１および第２の反射鏡からなる光共
   振器と、上記共振器光路中に設けられた波長位相器およ
   び偏光分離プリズムと、上記レーザ媒質から上記偏光分
   離プリズムを通り、出力光が出力される出力光路以外の
   上記共振器光路中に設けられ、波長を選択するグレーテ
   ィングを備えた狭帯域化レーザ装置。
2. （２）出力光路以外の共振器光路中にファブリペローエ
   タロンが１個以上設けられた請求項１記載の狭帯域化レ
   ーザ装置。
3. （３）反射鏡、波長位相器、グレーティングは、これら
   の素子の機能の少なくとも一部が複合化されている請求
   項１または２記載の狭帯域化レーザ装置。
4. （４）偏光分離プリズムが誘電体多層膜による偏光分離
   面を有するプリズムである請求項１または２記載の狭帯
   域化レーザ装置。
5. （５）反射鏡と波長位相器を複合化した素子が９０°位
   相反射面と全反射面を有するフェーズリターダープリズ
   ムである請求項３記載の狭帯域化レーザ装置。